Uporaba litij-ionskih akumulatorjev v lastnih aplikacijah (2)

Pri polnjenju litij-ionskih celic je potrebno paziti na tri stvari: da ne presežemo maksimalne dovoljene napetosti (1), ne polnimo s previsokim tokom (2) in da ne polnimo celic pod točko zmrzišča (3). Polnjenje poteka v CC/CV režimu (Constant Current – Constant Voltage), kar pomeni, da celico najprej polnimo s polnim tokom (oz. maksimalnim tokom, ki ga dovoli celica, običajno okrog 0,5 – 1 C), ko pa je dosežena določena napetost (običajna meja za LiIon je 4,20 V na celico), jo polnilec zadrži in tok prične počasi padati. Običajno polnjenje prekinemo, ko tok pade nekje pod 1/10 začetnega polnilnega toka.

Pri polnjenju velja omeniti še nekaj stvari:

• V primeru zelo izpraznjenih celic (pod 3 V) je priporočljivo polnjenje pričeti z nizkim tokom (0,1 C ali manj) in preiti na polni tok šele, ko napetost celice zraste nad 3,3 V.
• Polnjenje na višjo napetost skrajšuje življenjsko dobo celic. Če nam je ta pomembna bolj kot pa razpoložljiva kapaciteta, lahko močno pripomoremo k podaljšanju življenjske dobe s tem, da celice polnimo na nižjo napetost. Polnjenje na 4,05 V namesto na 4,20 V podaljša življenjsko dobo za faktor 2-4 ob cca. 10-15 % znižanju uporabne kapacitete.

• 

  Polnjenje s (pre)visokim tokom (nad 1 C) skrajšuje življenjsko dobo celic. Če ni potrebe po hitrem polnjenju, polnimo s tokom 0,5 C ali manj.

• Polnjenje pod točko ledišča je prepovedano, saj v tem primeru prihaja do metalizacije na eni od elektrod. Po nekaterih raziskavah je takšno polnjenje sicer dovoljeno, a le z ekstremno nizkim tokom (pod 0,05 – 0,1 C).

USB polnilnik

Najprej si bomo pogledali dizajn res enostavnega linearnega polnilnika. To, da je polnilnik linearen pomeni, da gre presežna energija, ki je razlika med vhodno napetostjo in napetostjo polnjenja v gretje samega čipa. Izkoristek tako ni bleščeč, tudi ogromnih polnilnih tokov si ne moremo privoščiti, ima pa uporaba takšnega čipa dve veliki prednosti: enostaven dizajn in nizko ceno čipa.

Uporabili bomo čip TP4056, ki ga je verjetno večina med vami že srečala, saj je na ebayu in podobnih portalih polno polnilnih modulov, narejenih na osnovi prav tega čipa. Vsebuje interni P-FET in tako od zunanjih komponent praktično ne potrebuje skoraj ničesar razen upora Rprog, s katerim nastavimo želeni tok polnjenja (gl. slika 3) ter vhodni in izhodni kondenzator (10 µF).

Omogoča tudi priklop NTC temperaturnega upora in pa dveh LED-ic, ki nam sporočata stanje (polnjenje, standby, napaka …). Tu velja omeniti, da na hitrost utripanja ob odklopljeni bateriji vpliva kapacitivnost izhodnega kondenzatorja.

Vhodna napetost čipa je lahko do 8 V, vendar bo verjetno večina kot vir uporabila standardni USB priključek, ki zagotavlja 5 V. Zavedati se moramo, da se odvečna energija med vhodno in izhodno napetostjo (krat tok) pretvori v toploto, ki jo seveda moramo odvajati v okolico. Sam čip ima na spodnji strani t. i. termalni pad, kateri mora biti nacinjen na dovolj veliko površino bakra, v primeru dvoslojnega vezja toploto preko termalnih vij speljemo tudi na spodnjo stran plošče, kjer naj bo poligon z istim potencialom. Več o tej tematiki je napisanega v opisu dizajna tiskanine MPPT pretvornika v nadaljevanju.

MPPT solarni polnilnik

Pa smo prispeli do bolj zanimivega, a tudi mnogo kompleksnejšega polnilnika. Za razliko od linearnega je le-ta stikalni, kar pomeni, da odvečna energija ne bo šla v nič (oziroma toploto). To omogoča mnogo boljši izkoristek, višje polnilne tokove ter tudi razpon vhodne napetosti.

Še dodaten »bonbonček« je funkcija MPPT, ki omogoča optimalen izkoristek solarnega panela. Izhod le-tega se spreminja iz trenutka v trenutek, odvisno od mnogo faktorjev: vreme, osvetljenost, zasenčenost, temperatura panela… Med sončnim obsevanjem, temperaturo in upornostjo panela je kompleksno razmerje, ki ga izrazimo v t. i. I-U karakteristiki solarnega panela. Naprednejše MPPT rešitve (npr. LT8490) dejansko izvajajo merilne cikle in samodejno določajo optimalen režim delovanja, medtem ko enostavnejše MPPT rešitve (med katerimi je tudi naša) omogočajo »samo« nastavitev ciljne napetosti panela, ki je običajno precej višja od nominalne (npr. za 12 V panel je ta točka običajno nekje pri 17 V). Naš regulator mora tako poskrbeti, da drži vhodno napetost na nastavljeni in prilagaja tok polnjenja tako, da ta napetost ne pade (ali zraste).

To vezje bomo zgradili na osnovi LT3652 čipa, ki poleg omenjene MPPT funkcije omogoča CC/CV režim polnjenja do 2 A, omogoča nadzor temperature celic in še nekaj uporabnih funkcij. Kot vidimo na shemi (slika 5), moramo izhod solarnega panela najprej pripeljati čez zaščitno diodo (slednja ni potrebna, če je napetost akumulatorja 4,2 V ali manj, kar odgovarja uporabi 1 litij-ionske ali LiFePO4 celice) in preko gladilnega kondenzatorja na pin Vin. Z uporovnim delilnikom (lahko uporabimo tudi trimer) med vhodno napetostjo in maso na pinu Vin_reg nastavimo želeno točko MPPT.

Izhodno napetost nastavimo preko uporovnega delilnika v povratni zanki na Vfb pinu tako, da je izhodna napetost enaka polnilni napetosti v CV fazi. S shunt uporom (v shemi 0.05) lahko nastavimo želeni polnilni tok v CC fazi, ki pa je seveda lahko tudi manjši, odvisno od zmogljivosti solarnega panela. Pri dizajnu tiskanine pazimo, da so povezave močnostnega stikalnega dela (tuljava, dioda, shunt) čim krajše, kondenzatorji pa čim bliže čipu.

Ker se čip med delovanjem tudi greje poskrbimo za ustrezno odvajanje toplote preko spodnjega termalnega pada. Več je bolje v tem primeru ne velja, saj pretiravanje s številom vij posledično zmanjšuje količino bakra, ki odvaja toploto. Kot najbolj optimalnega se je izkazal »zvezda« vzorec vij iz centra termalnega pada. Seveda to ni vedno možno, ko pa je, se tega skušamo držati. Primer na sliki 6; na levi strani zvezdasta postavitev ni možna, na desni pa. Seveda naj bo pod čipom večji GND poligon, ki bo toploto odvajal, sicer je trud z vijami zaman …

Pri prvem priklopu najprej priklopimo napajanje na strani solarnega panela in preverimo, kakšna je izhodna napetost modula. Če ustreza, lahko priklopimo še baterijo in preverimo, ali se ta polni. Če smo povezali tudi LED-ici na izhoda CHRG in FAULT, lahko tudi preko njih spremljamo dogajanje. Pri tem velja omeniti, da dioda CHRG sveti le, ko je napetost panela taka, da omogoča polnilni tok nad 1/10 nastavljenega. Če je tok manjši, se akumulator sicer še vedno polni, a LED dioda ne gori. Običajno se to zgodi, če je napetost solarnega panela pod MPPT točko, a nad napetostjo akumulatorja.

Seveda kot vir napajanja na ta polnilec lahko priklopimo tudi poljuben drug vir; od 6 pa vse do 40 VDC, tako da lahko npr. polnimo akumulator tudi s priklopom na avtomobilsko 12 V inštalacijo ali podobno.

V prihodnji številki

• Buck-Boost izhodni modul 3 – 9 V, ki se napaja iz ene celice

Vir in slikovno gradivo

• Wikipedia, BatteryUniversity, LTC, avtor

Uporaba litij-ionskih akumulatorjev v lastnih aplikacijah (1)